侯 強(qiáng) 徐 穎 田思慶

(1.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2.佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

豆粉具有去除過(guò)剩膽固醇、防止血管硬化等作用。在其加工工藝中若噴霧干燥含水量控制精度不高，容易出現(xiàn)掛壁、分層等現(xiàn)象，影響豆粉沖調(diào)品質(zhì)。目前中國(guó)很多公司的噴霧干燥控制技術(shù)與設(shè)備相對(duì)落后，很少有比較完善的上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)下位機(jī)實(shí)時(shí)控制，且下位機(jī)控制器兼容性、抗震動(dòng)沖擊等性能較差；同時(shí)沒(méi)有先進(jìn)的控制算法實(shí)施控制，物料干燥品質(zhì)不佳。

在噴霧干燥工藝中，傳統(tǒng)的系統(tǒng)一般采用單回路PID控制。蘇和等[1]利用數(shù)字PID算法對(duì)噴霧干燥系統(tǒng)進(jìn)行控制，但是缺乏對(duì)控制對(duì)象特性變化的適應(yīng)能力。針對(duì)PID算法的控制缺陷，顏文旭等[2]提出了基于模糊邏輯控制的噴霧干燥控制方法，有效地解決了滯后帶來(lái)的控制振蕩現(xiàn)象；任小洪等[3]采用西門子PLC中自校正模糊控制模塊建立了一套噴霧干燥塔計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。但是噴霧干燥是一個(gè)多參數(shù)溫度控制過(guò)程，上述模糊控制方法使用簡(jiǎn)單的單回路控制，不同回路間的參數(shù)相互獨(dú)立，針對(duì)干擾和非線性特性無(wú)法滿足控制要求。

為確保豆粉噴霧干燥系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制且擁有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，研究擬根據(jù)模糊規(guī)則和串級(jí)控制方案對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并利用西門子S7-300 PLC對(duì)噴霧干燥設(shè)備進(jìn)行控制，通過(guò)上位機(jī)對(duì)噴霧過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以期克服傳統(tǒng)單回路模糊PID控制方法的不足。

1 豆粉噴霧干燥塔控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 干燥工藝流程

噴霧干燥工藝流程示意圖如圖1所示。噴霧干燥作為豆粉生產(chǎn)工藝重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，按照工藝流程，該系統(tǒng)由熱風(fēng)區(qū)、干燥區(qū)、料漿供應(yīng)區(qū)、細(xì)粉回收區(qū)和二次干燥及冷卻區(qū)等幾個(gè)主要部分組成[4]。在豆粉噴霧干燥塔工藝流程中，研磨好的液態(tài)豆粉料漿首先進(jìn)入料漿暫存罐，在高壓泵的作用下經(jīng)壓力噴槍霧化后噴入干燥塔；新鮮空氣進(jìn)入空氣過(guò)濾器除雜，在進(jìn)風(fēng)機(jī)的作用下通過(guò)空氣加熱器進(jìn)行加熱；加熱后的空氣與同時(shí)進(jìn)入塔內(nèi)的霧化料漿進(jìn)行充分的熱質(zhì)交換，在短短數(shù)秒內(nèi)干燥成粉末狀態(tài)的顆粒豆粉，干燥后的顆粒落入塔底的錐形部分，在振蕩器的作用下將料漿送入流化床進(jìn)行二次干燥及冷卻；殘余的粉末隨經(jīng)過(guò)熱質(zhì)交換的熱風(fēng)經(jīng)塔內(nèi)上排風(fēng)口通過(guò)旋風(fēng)分離器分離，并進(jìn)入塔內(nèi)進(jìn)行二次復(fù)聚，熱風(fēng)則在排風(fēng)機(jī)的作用下排出[5-7]。

1.調(diào)節(jié)閥 2.溫度傳感器 3.空氣加熱器 4.空氣過(guò)濾器 5.進(jìn)風(fēng)機(jī) 6.旋風(fēng)分離器 7.排風(fēng)機(jī) 8.流化床 9.壓力噴槍 10.噴霧干燥塔 11.高壓泵 12.熱風(fēng)區(qū) 13.干燥區(qū) 14.料將供應(yīng)區(qū) 15.細(xì)粉回收區(qū) 16.二次干燥及冷卻區(qū)

圖1 噴霧干燥工藝流程示意圖

Figure 1 Schematic diagram of spray drying process

1.2 控制系統(tǒng)分析

為使系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)輸入變化，減小超調(diào)量，提高系統(tǒng)的控制精度，設(shè)計(jì)了基于模糊PID控制的串級(jí)控制系統(tǒng)如圖2所示。塔內(nèi)排風(fēng)溫度為主被控制量，進(jìn)風(fēng)溫度為副被控制量，主控制器采用模糊PID控制器，副控制器采用PI控制器；通過(guò)溫度傳感器不斷檢測(cè)進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口溫度，檢測(cè)值與溫度設(shè)定值比較后將偏差值反饋給主、副控制器，通過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，增加或減少蒸汽量以保證出風(fēng)口溫度值[8]。

2 豆粉噴霧干燥塔控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于豆粉噴霧干燥工藝較為復(fù)雜、參數(shù)較多，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采取集散式控制方式，利用PLC作為控制中心，采用工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DO網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)豆粉干燥生產(chǎn)的分散控制和集中化管理。豆粉噴霧干燥塔控制系統(tǒng)硬件設(shè)備分為3層，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。第一層為現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層，主要包括溫度、壓力傳感器及電機(jī)、閥門執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備，用來(lái)完成各工藝流程區(qū)的檢測(cè)和控制任務(wù)；第二層為西門子S7-300系列PLC構(gòu)建的控制層，該層可按照設(shè)計(jì)好的控制策略對(duì)豆粉噴霧干燥各生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；第三層為遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理層，利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)建工程師站和操作員站，遠(yuǎn)程用戶可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)工藝流程參數(shù)和各硬件設(shè)備的工作狀態(tài)，確保豆粉噴霧干燥工藝平穩(wěn)有序進(jìn)行[9-10]。

圖2 串級(jí)模糊PID控制原理圖

根據(jù)豆粉噴霧干燥工藝特點(diǎn)及其控制要求，選用西門子S7-300系列可編程控制器CPU 315-2 PN/DP、PS 307電源模塊、以太網(wǎng)CP 343-1IT通信模塊以及I/O模塊等構(gòu)成沉余式下位機(jī)控制站。在I/O模塊中，選用型號(hào)為SM331的模擬量輸入模塊，擁有8×14 bits的AI點(diǎn)數(shù)，用來(lái)接收豆粉噴霧干燥系統(tǒng)的溫度、壓力和頻率等現(xiàn)場(chǎng)模擬輸入信號(hào)值，然后將其轉(zhuǎn)換成為CPU處理的數(shù)字信號(hào)；選用型號(hào)為SM322的模擬量輸出模塊，擁有8×14 bits 的AO點(diǎn)數(shù)，將控制器數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為呈比例的電壓和電流值，用來(lái)控制系統(tǒng)變頻器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)；選用型號(hào)為SM321的數(shù)字量輸入模塊，DI點(diǎn)數(shù)為32，用來(lái)接收從選擇開(kāi)關(guān)、閥門開(kāi)關(guān)和啟動(dòng)開(kāi)關(guān)等傳輸?shù)臄?shù)字量輸入信號(hào)；選用型號(hào)為SM322的數(shù)字量輸出模塊，DI點(diǎn)數(shù)為32，用來(lái)控制系統(tǒng)行程開(kāi)關(guān)、接觸器和電磁閥等數(shù)字量輸出設(shè)備[11-12]。

圖3 噴霧干燥塔控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

PLC選用PROFIBUS-DO總線與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通信，各控制子站通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與中央控制室的上位機(jī)完成數(shù)據(jù)通信工作。

3 基于模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

3.1 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

串級(jí)控制系統(tǒng)中，主控制器采用的是模糊PID控制器。模糊PID控制器采用二維輸入和三維輸出，控制器的輸入為豆粉噴霧干燥塔出口溫度給定值與實(shí)際測(cè)量值的誤差e及其變化率ec，輸出為PID 3個(gè)參數(shù)KP、Ki、Kd。其模糊子集定義為[NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB]，分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。根據(jù)專家[13]經(jīng)驗(yàn)，該控制系統(tǒng)誤差e的論域取值為[-0.52，0.52]，誤差變化率ec的論域取值為[-0.45，0.45]，KP的論域取值為[-0.6，0.6]，Ki的論域取值為[-0.3，0.3]，Kd的論域取值為[-3,3]。

根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)專家學(xué)者[14-15]的研究分析，對(duì)KP、Ki、Kd3個(gè)參數(shù)建立模糊控制規(guī)則，模糊PID控制器輸入輸出隸屬函數(shù)均選取三角形函數(shù)，模糊推理方法選擇Mamdana min-max法，模糊判決選擇重心法，則KP、Ki、Kd在論域上的輸出曲面如圖4～6所示。

3.2 控制系統(tǒng)Matlab仿真

綜合考慮豆粉噴霧干燥塔工藝要求以及非線性、大滯后的系統(tǒng)屬性，可以將豆粉噴霧干燥塔看作是一階大滯后控制系統(tǒng)[16]，其傳遞函數(shù)G(s)的表達(dá)式為：

(1)

式中：

圖4 KP的輸出曲面

圖5 Ki的輸出曲面

圖6 Kd的輸出曲面

G(s)——傳遞函數(shù)；

K——放大系數(shù)；

T——時(shí)間常數(shù)，s；

τ——延遲時(shí)間，s。

取K=8.35,T=265,τ=75,在simulink仿真環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)傳遞函數(shù)進(jìn)行仿真分析，采用Z-N整定法，整定出副回路PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為KP1=2.16，Ki1=1.23；采用模糊算法整定主回路PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)分別為KP2=3.12，Ki2=0.45，Kd2=0.32。將主副回路的調(diào)節(jié)器參數(shù)添加到simulink仿真模型中，得到常規(guī)PID控制、模糊PID控制在目標(biāo)溫度為82 ℃時(shí)降溫和升溫控制曲線分別如圖7、8所示[17-18]。

由于豆粉噴霧干燥的擾動(dòng)主要來(lái)自于進(jìn)風(fēng)口熱空氣量供給的擾動(dòng)，為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的抗干擾能力，在仿真模型中500 s時(shí)加入一個(gè)幅值為0.5，干擾時(shí)間為10 s的干擾方波[19]，由圖9可知，模糊PID控制策略優(yōu)于常規(guī)PID控制。

4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)豆粉噴霧干燥塔整個(gè)生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)計(jì)了基于組態(tài)王軟件的監(jiān)控系統(tǒng)[20]，系統(tǒng)在線監(jiān)控界面如圖10所示。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主界面中的模擬設(shè)備會(huì)呈現(xiàn)出相應(yīng)的模擬動(dòng)畫效果。操作者通過(guò)點(diǎn)擊各相應(yīng)設(shè)備則可以切換到各設(shè)備工藝的子界面組態(tài)，能快速掌握并遠(yuǎn)程操控各工藝生產(chǎn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)集中控制和分散管理。

圖7 目標(biāo)溫度為82 ℃的降溫仿真控制曲線

Figure 7 Simulation control curve of temperature reduction with target temperature of 82 ℃

在豆粉噴霧干燥塔控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行調(diào)試過(guò)程中，為了能根據(jù)工藝要求隨時(shí)更改參數(shù)和手動(dòng)、自動(dòng)控制方式等[21]，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面，工作人員可以通過(guò)在上位機(jī)中建立的參數(shù)設(shè)置畫面對(duì)下位機(jī)實(shí)施控制，參數(shù)設(shè)置畫面如圖11所示。

圖8 目標(biāo)溫度為82 ℃的升溫仿真控制曲線

圖9 加入方波干擾后的控制效果曲線圖

圖10 系統(tǒng)在線監(jiān)控畫面

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)的分析，該系統(tǒng)將PLC采集到的各設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)以圖表的形式顯示在同一張圖表中，使操作人員能夠直觀地了解各控制區(qū)實(shí)時(shí)的工作狀態(tài)趨勢(shì)，操作人員可以通過(guò)參數(shù)的調(diào)整，使各設(shè)備處于最佳的工作狀態(tài)[22]。生產(chǎn)歷史趨勢(shì)曲線界面如圖12所示。

為了統(tǒng)計(jì)在豆粉噴霧干燥生產(chǎn)工藝中各個(gè)設(shè)備的溫度、壓力和液位等生產(chǎn)參數(shù)，設(shè)計(jì)了生產(chǎn)報(bào)表系統(tǒng)組態(tài)界面，如圖13所示。管理員用戶能夠根據(jù)生產(chǎn)需求定義變量，以及相應(yīng)的參數(shù)。來(lái)訪者可以通過(guò)組態(tài)界面中的生產(chǎn)報(bào)表直觀了解生產(chǎn)的運(yùn)行情況[23]。

圖11 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

圖12 生產(chǎn)歷史趨勢(shì)曲線界面

圖13 生產(chǎn)報(bào)表查詢界面

5 結(jié)論

針對(duì)豆粉噴霧干燥塔系統(tǒng)具有非線性、大滯后等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于模糊PID算法的串級(jí)控制方案，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)仿真，與單回路模糊控制方案比較，具有主副回路間參數(shù)相互協(xié)調(diào)、響應(yīng)速度快、控制精度高和抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。雖然串級(jí)模糊PID控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能較好，但量化因子以及修正系數(shù)的計(jì)算通常是結(jié)合專家和工作人員的工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的，具有一定的主觀性，下一步的研究可以利用遺傳算法優(yōu)化模糊控制器量化因子和修正系數(shù)，使得控制器能實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)的變化，以保證系統(tǒng)具有較高的自適應(yīng)性和魯棒性。